1. مقدمة
النيكل هو معدن حاسم يستخدم على نطاق واسع في الصناعية, الفضاء الجوي, طاقة, والتطبيقات الكيميائية بسبب مقاومة التآكل, القوة الميكانيكية, والاستقرار الحراري.
فهم كثافتها أمر أساسي للمهندسين والعلماء الماديين لأنه يؤثر على حسابات الوزن, تصميم المكون, السلوك الحراري, والأداء المادي العام.
الكثافة المرجعية للنيكل النقي في درجة حرارة الغرفة (20 درجة مئوية) تقريبا 8.908 ز/سم (أو 8,908 كجم/متر مكعب).
هذه الخاصية الجوهرية تدعم تطبيقات النيكل في سبائك عالية الأداء, المكونات الهيكلية, وطلاء متخصص.
2. ما هي كثافة النيكل
كثافة يتم تعريفها على أنها كتلة لكل وحدة حجم (p = m/v). للنيكل, تنشأ كثافتها من الكتلة الذرية (58.6934 ش) ومكواكه محور وجوه (FCC) بنية البلورة, الذي يحزم الذرات بكفاءة.
في درجة الحرارة القياسية والضغط, يعرض النيكل شبكة FCC مستقرة مع ثابت شعرية 0.352 نانومتر, إنتاج كثافتها المميزة 8.908 ز/سم.
3. العوامل التي تؤثر على كثافة النيكل
كثافة النيكل (~ 8.908 جم/سم في 20 درجة مئوية للمعادن الفائقة.) ليس ثابتًا ثابتًا; يختلف مع نقاء, سبائك, درجة حرارة, والضغط.
نقاء: السائق الأساسي لتقلب الكثافة
الكثافة المرجعية لـ 8.908 G/cm³ ينطبق حصريًا على النيكل العالي العالي (99.99 ٪), مثل النيكل الكهربائي المستخدم في إلكترونيات وأدوات الدقة.
في الممارسة الصناعية, نادراً ما يصل النيكل إلى هذه النقاء.
الشوائب, سواء كانت متعمدة (عناصر صناعة السبائك) أو عرضي (الخامات المتبقية, معالجة الملوثات), قم بتشريد ذرات النيكل في الشبكة الكريستالية, تغيير الكثافة على أساس الكتلة الذرية وتركيزها.
الشوائب المشتركة وآثارها (بيانات من كتيب ASM, مقدار 2):
| شوائب | كثافة (ز/سم) | تركيز نموذجي في النيكل التجاري | الناتج عن كثافة النيكل (ز/سم) | تغيير الكثافة مقابل. النيكل النقي |
| حديد (Fe) | 7.874 | 0.5-1.0 ٪ | 8.85-8.90 | .010.01 إلى .06.06 |
| نحاس (النحاس) | 8.96 | 0.1-0.5 ٪ | 8.91-8.93 | +0.002 ل +0.02 |
| الكربون (ج, الجرافيت) | 2.267 | 0.01-0.05 ٪ | 8.90-8.91 | .00.001 إلى .00.008 |
| الكبريت (ق) | 2.07 | 0.005-0.01 ٪ | 8.905-8.907 | .00.001 إلى .00.003 |
| الأكسجين (س, الغاز) | 1.429 | 0.001-0.005 ٪ | 8.907-8.908 | لا يكاد يذكر |
سبائك: كثافة الخياطة للأداء
يشكل النيكل سبائك مع عناصر مثل نحاس (النحاس), الكروم (كر), الموليبدينوم (شهر), التنغستن (ث), والحديد (Fe), إنتاج مواد ذات كثافات تختلف اختلافًا كبيرًا عن النيكل الخالص.
سبائك وكثافة مختارة:
| سبيكة | تعبير | كثافة (ز/سم) | الاختلاف مقابل. في | التطبيق الأساسي |
| مونيل 400 | 65% في, 34% النحاس, 1% Fe | 8.80 | −0.108 | مقاومة التآكل البحري |
| Inconel 625 | 59% في, 21.5% كر, 9% شهر, 5% Fe | 8.44 | −0.468 | ارتفاع درجة حرارة الزحف المقاومة |
| Hastelloy x | 47% في, 22% كر, 18.5% Fe, 9% شهر | 8.30 | −0.608 | غرف احتراق التوربينات الغازية |
| النيكل (30% ث) | 70% في, 30% ث | 10.0 | +1.092 | التدريع الإشعاعي, ارتداء المقاومة |
| Invar 36 | 64% Fe, 36% في | 8.05 | −0.858 | أدوات التوسع الحراري المنخفضة |
درجة حرارة: التمدد الحراري وتقليل الكثافة
يتوسع النيكل مع الحرارة, تقليل كثافتها.
ال معامل خطي للتوسع الحراري (CTE) للنيكل ~ 13.4 × 10⁻⁶/درجة مئوية; ال التقريبي الحجمي CTE ~ 40.2 × 10⁻⁶/درجة مئوية. باستخدام هذه القيم, تنخفض كثافة النيكل مع درجة الحرارة:
- في 100 درجة مئوية: الكثافة ≈ 8.908 ز/سم × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/درجة مئوية × 80 درجة مئوية)) ≈ 8.88 ز/سم
- في 500 درجة مئوية: الكثافة ≈ 8.908 ز/سم × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 درجة مئوية)) ≈ 8.73 ز/سم
- في 1455 درجة مئوية (نقطة الانصهار, النيكل السائل): الكثافة ≈ 8.70 ز/سم (المعادن السائلة أقل كثافة من المواد الصلبة بسبب زيادة الاضطراب الذري)
هذه الكثافة المعتمدة على درجة الحرارة أمر بالغ الأهمية:
- صب درجات الحرارة العالية: يجب أن تفسر القوالب تغييرات الكثافة أثناء التصلب لتجنب عيوب الانكماش.
- مكونات الفضاء: النيكل superalloys في المحركات النفاثة (تعمل في 1000-1200 درجة مئوية) تخفيضات كثافة الخبرة التي تؤثر على الموصلية الحرارية والاستقرار الهيكلي.
ضغط: زيادة الضغط والكثافة
معامل النيكل السائبة (~ 170 GPA) يقيس مقاومة الضغط. الضغط العالي يزيد قليلاً من الكثافة:
- في 1 GPA (≈10،000 ATM, نموذجي لبيئات البحار العميق): تزداد الكثافة بنسبة ~ 0.5 ٪ (≈8.95 جم/سم).
- في 10 GPA (الضغط الشديد, على سبيل المثال, النوى الكوكبية): ترتفع الكثافة إلى ~ 9.3 جم/سم مكعب.
معدات أعماق البحار: يجب أن تصمد المكونات المطلية بالنيكل في الغواصات على التغيرات التي يسببها الضغط دون فشل هيكلي.
عمل المعادن عالي الضغط: عمليات مثل الضغط المتساوي الساخن (خاصرة) استخدم الضغط لتكثيف سبائك النيكل, تقليل المسامية وزيادة الكثافة النهائية.
4. قياس الكثافة
أرخميدس ' المبدأ والوزن الهيدروستاتيكي
تم غمر عينات النيكل في سائل, يتم حساب الكثافة من القوى المزدحمة. هذه الطريقة بسيطة وموثوقة للمكونات السائبة.
حيود الأشعة السينية (XRD)
يقوم XRD بحساب الكثافة من المعلمة الشبكة للهيكل البلوري للنيكل (تقاس عبر نثر الأشعة السينية). هذه الطريقة هي:
- غير التدمير: مثالي للعينات القيمة أو الحساسة (على سبيل المثال, مكونات الفضاء).
- دقيق للغاية: ± 0.0001 جم/سم مكلي للنيكل النقي, لأنه يقيس مباشرة التعبئة الذرية بدلاً من الخصائص السائبة.
- القيود: يتطلب عينة تبلور جيد (غير مناسب للمساحيق أو النيكل غير المتبلور).
القياس (للمساحيق)
لمساحيق النيكل (تستخدم في التصنيع الإضافي أو الطلاء), قياس الغاز (ASTM D6226) يقيس الكثافة الحقيقية عن طريق إزاحة الغاز (على سبيل المثال, الهيليوم) في غرفة مختومة.
هذا يتجنب الأخطاء من الفراغات في أسرة المسحوق, الكثافة العائد في ± 0.002 جم/سم ³ من القيمة النظرية.
تقلب القياس
يمكن أن تختلف الكثافة المبلغ عنها قليلاً بسبب الشوائب, المسامية, طريقة القياس, ودرجة الحرارة, عادةً ما تكون ± 0.01–0.02 جم/سم مكعب للنيكل عالي الجودة.
5. الأهمية الصناعية لكثافة النيكل
كثافة النيكل ليست مجرد خاصية نظرية - إنها تؤثر بشكل مباشر على كيفية وجود المعدن وسبائكه مصمم, معالجة, وتطبيقها عبر الصناعات.
من التوربينات الطيران إلى النباتات الكيميائية والتصنيع المضافة, تلعب الكثافة دورًا محوريًا في أداء المواد والكفاءة الهندسية.
الطيران والطيران: موازنة الوزن والقوة
الطائرات والمركبات الفضائية الطلب مع مواد مع نسب عالية القوة إلى الوزن.
في حين أن النيكل النقي كثيف نسبيًا (8.908 ز/سم), superalloys المستندة إلى النيكل مثل Inconel 625 (8.44 ز/سم) أو Hastelloy x (8.30 ز/سم) توفير حل وسط:
- كثافة أقل يقلل من إجمالي المحرك أو الوزن الهيكلي, توفير الوقود وتوسيع نطاق.
- استقرار درجة حرارة عالية يضمن مقاومة الزحف والتعب في >1000 درجة مئوية.
مثال: أ 1% يمكن أن يوفر انخفاض كتلة قرص التوربينات من خلال تحسين كثافة السبائك مئات كيلوغرامات من الوقود النفاث سنويًا لكل طائرة.
آلات السيارات والثقيلة: المتانة والكفاءة
كثافة النيكل ذات صلة أيضًا بالنقل الأرضي:
- المركبات الكهربائية (EVs): مواد الكاثود الغنية بالنيكل (على سبيل المثال, NMC, NCA) تؤثر على كثافة طاقة البطارية, حيث تحسن توفير الوزن على نطاق القيادة.
- معدات ثقيلة: فولاذ النيكل وسبائك النيكل (الكثافة ~ 7.8–8.8 جم/سم مكعب) توفير صلابة وارتداء المقاومة في آلات البناء ومعدات التعدين.
المعالجة الكيميائية والبتروكيماويات: مقاومة التآكل مع كفاءة الكتلة
في النباتات الكيميائية والمصافي, يجب أن تقاوم سبائك النيكل الأحماض التآكل, القلويات, والغازات ذات الضغط العالي:
- مونيل 400 (8.80 ز/سم): تم اختياره لخطوط الأنابيب البحرية ومعالجة مياه البحر بسبب مقاومة التآكل الممتازة.
- Hastelloy C-Series (~ 8.9 جم/سم): تستخدم في مفاعلات معالجة الحمض, حيث تكون الكثافة متوازنة ضد مقاومة التآكل والسلامة الميكانيكية.
الكثافة لا تؤثر فقط القوة الميكانيكية ولكن أيضا الموصلية الحرارية و كفاءة نقل الحرارة, كلاهما حاسم في المفاعلات الكيميائية.
صب, تزوير, والتصنيع المضافة: السيطرة على التصلب
يؤثر سلوك كثافة النيكل أثناء المعالجة الحرارية بشكل مباشر على نتائج التصنيع:
- صب: تقليل الكثافة عند الذوبان (8.908 → ~ 8.70 جم/سم مكعب) يجب أن يتم حسابها لمنع مسامية انكماش في القوالب.
- التزوير والورك (الضغط المتساوي الساخن): الضغط التطبيقي يصرخ سبائك النيكل, إغلاق الفراغات وزيادة القوة الميكانيكية.
- التصنيع المضافة (أكون): يعتمد الانصهار المسحوق وترسب الطاقة الموجه على كثافة مسحوق متسقة للتنبؤ قابلية التدفق, توحيد الطبقة, وكثافة الجزء الأخير.
تطبيقات الطاقة والتطبيقات النووية: عندما تكون الكثافة العالية فائدة
في بعض الصناعات, كثافة أعلى مفيدة:
- سبائك النيكل تونغستن (~ 10.0 جم/سم مكعب): توفير التدريع الإشعاعي في المفاعلات النووية والتصوير الطبي.
- الأنودات والكاثودات القائمة على النيكل: تؤثر الكثافة على الكفاءة الحالية والاستقرار الحراري في خلايا الوقود والكهرباء.
6. جدول مرجعي سريع: النيكل النقي والسبائك المشتركة
| مادة / سبيكة | تعبير (العناصر الرئيسية) | كثافة (g/cm³ @ 20 درجة مئوية) | نقطة الانصهار (درجة مئوية) | التطبيقات الرئيسية |
| النيكل النقي (99.99%) | 99.99 ٪ في | 8.908 | 1455 | الإلكترونيات, المزدوجات الحرارية, الطلاء الكهربائي |
| النيكل التجاري (درجة 200) | 99.0 ٪ في + شوائب FE | 8.85-8.90 | 1445-1455 | معدات المعالجة الكيميائية, الأجهزة البحرية |
| مونيل 400 | ~ 65 ٪ لديهم, 34% النحاس, 1% Fe | 8.80 | 1350-1400 | الهندسة البحرية, مضخات, المبادلات الحرارية |
| Inconel 600 | ~ 72 ٪ لديهم, 14-17 ٪ كر, 6-10 ٪ Fe | 8.47 | 1354-1413 | المعالجة الكيميائية, مكونات الفرن, المفاعلات النووية |
| Inconel 625 | ~ 59 ٪ لديهم, 21.5% كر, 9% شهر, 5% Fe | 8.44 | 1290-1350 | التوربينات الطيران, المفاعلات النووية, النباتات الكيميائية |
| واسبالوي | ~ 58 ٪ لديهم, 19% كر, 13% شارك, 4% شهر, ل, آل | 8.19 | 1320-1380 | أقراص توربينات المحرك النفاثة, السحابات الطيران |
Nimonic 80a |
~ 76 ٪ لديهم, 20% كر, ل, آل | 8.19 | 1320-1385 | توربينات الغاز, صمامات العادم, الينابيع عالية الحرارة |
| Hastelloy x | ~ 47 ٪ لديهم, 22% كر, 18.5% Fe, 9% شهر | 8.30 | 1260-1355 | غرف احتراق التوربينات الغازية, قنوات درجة الحرارة العالية |
| Hastelloy C-22 | ~ 56 ٪ لديهم, 22% كر, 13% شهر, 3% ث, Fe | 8.69 | 1350-1400 | المفاعلات الكيميائية, أجهزة التنظيف, السيطرة على التلوث |
| Hastelloy C-276 | ~ 57 ٪ لديهم, 16% شهر, 15% كر, 5% Fe, ث | 8.89 | 1325-1370 | أجهزة تنظيف الغاز المداخن, المعالجة الكيميائية, السيطرة على التلوث |
| incoloy 825 | ~ 42 ٪ لديهم, 21.5% كر, 30-35 ٪ Fe, 3% شهر | 8.14 | 1385-1400 | الأنابيب المقاومة للحمض, أنظمة العادم البحرية |
| النيكل - (30% ث) | ~ 70 ٪ في, 30% ث | 10.0 | ~ 1455-1500 | التدريع الإشعاعي, أجزاء مقاومة للارتداء |
| Invar 36 | ~ 64 ٪ fe, 36% في | 8.05 | 1430-1440 | الأدوات الدقيقة, تطبيقات التوسع الحراري المنخفض |
7. خاتمة
كثافة النيكل هي خاصية مادية أساسية تؤثر على التصميم, تصنيع, والأداء في الصناعات عالية التقنية.
عوامل مثل النقاء, سبائك, درجة حرارة, والضغط يخلق اختلافات طفيفة, لكن فهم هذه الفروق الدقيقة أمر بالغ الأهمية للمهندسين والعلماء الماديين.
مزيج النيكل من الكثافة العالية, القوة الميكانيكية, والمرونة الحرارية تجعلها لا غنى عنها عبر الفضاء, كيميائية, طاقة, وقطاعات الإلكترونيات.
الأسئلة الشائعة
هل شكل النيكل (صلبة مقابل. مسحوق) تؤثر على كثافتها?
نعم. "الكثافة الحقيقية" (كثافة النيكل نفسه) هو نفسه بالنسبة للمواد الصلبة والمساحيق (~ 8.908 جم/سم مكلي للنيكل النقي), لكن "الكثافة السائبة" (الكتلة/حجم سرير المسحوق) أقل (4-5 جم/سم مكعب) بسبب الفراغات بين الجسيمات.
يقيس قياس الغاز الكثافة الحقيقية, بينما تقيس كثافة الصنبور كثافة كبيرة.
كيف يؤثر العمل البارد على كثافة النيكل?
العمل البارد (على سبيل المثال, المتداول, تزوير) يزيد من كثافة النيكل قليلاً (~ 0.1-0.2 ٪) عن طريق تقليل عيوب الشبكة (خلع) وضغط الفراغات.
على سبيل المثال, النيكل المولود البارد لديه كثافة ~ 8.92 جم/سم مكعب, مقابل. 8.908 G/cm³ للنيكل الصلب.
هل كثافة النيكل أعلى من المعادن الشائعة الأخرى?
نعم. النيكل أكثر كثافة من الألمنيوم (2.70 ز/سم), حديد (7.87 ز/سم), وتيتانيوم (4.51 ز/سم) لكن أقل كثافة من النحاس (8.96 ز/سم), النحاس (8.4-8.7 جم/سم), و Tungsten (19.3 ز/سم).
يمكن استخدام الكثافة لتمييز النيكل عن المعادن المزيفة?
نعم. على سبيل المثال, الصلب المطلي بالنيكل (الكثافة ~ 7.9 جم/سم) لديه كثافة أقل من النيكل النقي (8.908 ز/سم), جعل مبدأ Archimedes طريقة بسيطة للكشف عن التزوير (على سبيل المثال, عملات نيكل مزيفة).
ما هي كثافة النيكل في الفضاء (مكنسة, درجة الحرارة القصوى)?
في فراغ, الكثافة لا تتأثر (فقط درجة الحرارة والضغط مهم). في درجات الحرارة المبردة (-200درجة مئوية), تزداد كثافة النيكل إلى 8.95 جم/سم مكعب (بسبب تقلص الشبكة).
في الجاذبية الصغرى, قياس الكثافة عبر مبدأ أرخميدس مستحيل, لذلك يتم استخدام XRD بدلاً من ذلك.
